Общая жёсткость воды показывает общее содержание любых солей кальция и магния в воде.
От временной жёсткости воды можно избавиться кипячением, так как при этом гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:
t0
Ca(HCO3)2 * CaCO3v + H2O + CO2^; накипь
t0
Mg(HCO3)2 * (MgOH)2CO3v + H2O + CO2 .^ накипь
Поэтому этот вид жёсткости называется «карбонатной жёсткостью». Накипь отлагается на стенках труб, посуды, ухудшает их теплопроводность, приводит к авариям. Поэтому накипь нужно удалять. Для этого отложения солей накипи растворяют в соляной или уксусной кислотах:
CaCO3 + HCl * CaCl2 + H2O + CO2^
или в ионном виде:
CaCO3 + H+ * Ca2+ + H2O + CO2^.
Жёсткость воды (то есть соли кальция и магния), оставшаяся после кипячения в течение одного часа, называется постоянной жёсткостью. Хотя этот вид жёсткости не приводит к образованию накипей, тем не менее, и эти соли могут связывать мыло в нерастворимые соединения:
CaSO4 + C15H31COONa * (C15H31COO)2Cav + Na2SO4
мыло
или в ионном виде:
Ca2+ + C15H31COO- * (C15H31COO)2Cav.
Аналогичные нерастворимые соединения могут образовываться внутри нашего организма, если человек пьёт слишком жёсткую воду. В результате образуются камни в почках, желчном пузыре, развивается атеросклероз (закупорка кровеносных сосудов особыми отложениями).
Следовательно, жёсткую воду нужно умягчать!
Устранение жёсткости воды (умягчение воды) сводится к тому, что ионы кальция и магния переводятся в нерастворимое состояние.
Так, уже при кипячении жёсткой воды происходит частичное или полное её умягчение. Умягчение воды происходит при добавлении к ней соды (карбоната натрия), фосфатов или силикатов щелочных металлов, например:
Ca2+ + PO43- * Ca3(PO4)2v.
Для умягчения воды используют также катиониты и специальные фильтры. Общая жёсткость воды показывает общее содержание перечисленных солей кальция и магния в воде. Общую жёсткость воды можно определить методом комплексонометрии.
2.2 Метод определения ионов кальция
Из объёмных методов анализа наиболее точным и быстрым методом определения кальция является комплексонометрическое титрование ионов кальция. Метод комплексонометрии основан на реакциях, в ходе которых образуются комплексные соединения. Рабочими растворами являются растворы комплексонов (отсюда и название метода).
Комплексонами являются органические соединения, которые образуют прочные комплексные соединения с ионами многовалентных металлов, в том числе с ионами кальция и магния жесткой воды.
Общую жёсткость воды можно определить при помощи рабочего раствора комплексона III, или трилона Б. Его полная формула довольно сложная: поэтому условно записывают Na2H2Tr, а в водном растворе трилон Б диссоциирует на ионы
,
Na2H2Tr <>2 Na+ + H2Tr2-.
В ходе титрования между исследуемым раствором, который содержит ионы Са2+ (исследуемым образцом воды), и рабочим раствором (трилоном Б) происходит реакция:
Ca2+ + H2Tr2- <> [CaTr]2- + 2 H+ .
Это основная реакция титрования комплексонометрическим методом.
Индикаторами в этом методе являются органические вещества, которые способны образовывать цветные непрочные комплексные соединения с многовалентными металлами (металлоиндикаторы). В нашем случае используется хром кислотный тёмно-синий. Его условная формула H3Ind. Он диссоциирует в растворе:
H3Ind <> H+ + H2Ind-.
синий
При добавлении к исследуемой пробе воды хрома кислотного тёмносинего раствор окрашивается в вишнёво-красный цвет. Образуется непрочный окрашенный комплексный ион [СaInd]-.
Все вышеперечисленные реакции - обратимые, причём в результате выделяются ионы водорода Н+, т. е. создаётся кислая среда. Для того, чтобы сместить равновесие к концу процесса, нужно связать эти ионы, создав щелочную среду при помощи аммиачного буферного раствора:
NH4OH + NH4Cl (pH = 9,2).
Алгоритм титрования
В бюретку налить рабочий раствор трилона Б. В колбу для титрования налить:
- заданный объём воды из-под крана;
- аммиачный буферный раствор; - индикатор.
В ходе титрования трилоном Б в точке эквивалентности, когда все ионы кальция и магния прореагируют, начинается медленная реакция разрушения вишнёвого комплексного иона [CaInd]- с выделением синего индикатора. В этот момент появляется фиолетовая окраска и титрование нужно прекратить.
Простым перемешиванием колбы добиться, чтобы раствор стал синим (рис. 2).
Рисунок 2 Стадии комплексонометрического титрования
2.3 Метод определения ионов хлора
Для того чтобы определить наличие в воде ионов хлора необходимо образовать нерастворимое соединение. Для этого можно использовать нитрат серебра(AgNO3).
Ag+ + Cl- = AgClv
Хлориды, по общему содержанию в природных, занимают 1 место среди анионов. Содержание их колеблется от десятых долей до тысячи мг/л и более. Они появляются в водах при растворении горных пород, содержащих хлориды. При концентрации хлорид-иона выше 300 мг/л у воды появляется солоноватый привкус. Кроме того, хлориды усиливают коррозию железа в воде. Повышение концентрации хлоридов в воде может быть косвенным показателем загрязнения водоёма сточными водами. Наличие ионов хлора свидетельствует о хлорировании водопроводной воды на очистных сооружениях.
2.4 Метод определения сульфат-ионов
Для определения наличия в воде сульфат-ионов используем раствор BaCl2:
Ва2++ SO42- = BaSO4 v
Ионы SO42- поступают в воду в процессе растворения гипсовых пород, мирабилита, окисления сульфитов, серы и органических серосодержащих веществ. Содержание сульфат-иона лимитируется в питьевой воде так как при концентрации более 500 мг/л у человека может проявляться расстройство деятельности желудочно-кишечного тракта. Содержание сульфат-иона может быть достаточно высоким в водах вследствие загрязнения воздуха промышленными выбросами.
2.5 Метод определения рН-фактора воды
При анализе воды использовались полоски универсальной индикаторной бумаги. В норме рН среда не должна выходить за пределы 6,5-8,5. В домашних условиях рН - среды можно определить природным индикатором - соком свеклы. Малиновый, светло-малиновый цвет - кислая среда, сиреневый, желтокоричневый - щелочная.
2.6 Метод определения содержания магния
Метод определения основан на осаждении ионов магния в виде MgNH4PO4 * 6H2O:
При прокаливании MgNH4PO4 * 6H2O образуется пирофосфат магния Mg2P2O7.
2.7 Расчёт показателей и определение качества воды
Используя методы определения содержания некоторых веществ в воде были получены следующие данные (табл. 4). Источник показателей за 1940 год.
Таблица 4 Химический анализ воды из реки Волга (г. Вольск за 1940 и 2017 г.)
|
Год исследования |
Показатели |
||||||
|
Общая жёсткость |
рН |
Ca2+ |
Mg2+ |
SO42- |
Cl- |
||
|
1940 |
5,8 |
7 |
80,4 |
22,3 |
112,3 |
19,9 |
|
|
2017 |
5,9 |
7 |
125,3 |
45 |
70 |
35,5 |
|
|
Изменение |
0,1 |
- |
44,9 |
22,7 |
-42,3 |
15,6 |
Сравним полученные данные с ПДК химических веществ в воде (табл. 5).
Таблица 5 ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования
|
№ п/п |
Наименование вещества |
Формула |
Величина ПДК (мг/л) |
Класс опасности |
|
|
1 |
Кальций |
Ca2+ |
180 |
3 |
|
|
2 |
Магний |
Mg2+ |
50 |
3 |
|
|
3 |
Сульфаты |
SO42- |
500 |
4 |
|
|
4 |
Хлориды |
Cl- |
350 |
3 |